Биоэнергетическая установка
Владельцы патента RU 2284967:
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) (RU)
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к установкам для переработки органических отходов сельскохозяйственного производства в анаэробных условиях, и может быть использовано для производства биогаза. Биоэнергетическая установка содержит метантенк с водяной рубашкой, теплоизоляцией, мешалкой, загрузочным и выгрузочным патрубками, трубопроводы подачи биогаза и газгольдер. Установка снабжена гелиоколлектором, электроводонагревателем и двигателем Стирлинга в виде термомеханического генератора с расположенной со стороны днища двигателя биогазовой горелкой, которая соединена с трубопроводом для подачи биогаза из газгольдера. В двигателе Стирлинга тепловая энергия сжигаемого в биогазовой горелке биогаза преобразовывается в электрическую энергию и используется для обогрева сбраживаемой в метантенке биомассы до необходимой температуры и обеспечения непрерывной работы системы в периоды отсутствия поступления солнечного излучения. Изобретение обеспечивает автономное энергоснабжение локальных потребителей в сельской местности с комбинированным использованием энергии солнечного излучения и энергии биомассы. 2 ил.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к установкам для переработки органических отходов сельскохозяйственного производства в анаэробных условиях, и может быть использовано для производства биогаза из органических отходов.
Известна установка для производства биогаза из органических отходов, в частности, предусматривающая для обогрева сбраживаемого субстрата использование солнечной энергии и содержащая метантенк, солнечные коллекторы, теплообменники, газгольдер, компрессор, вентили, котел, насосы, отстойник и регулирующие клапаны (Амерханов Р.А., Бессараб А.С., Драганов Б.Х., Рудобашта С.П., Шишко Г.Г. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства. - М.: Колос-Пресс, 2002, с.269, рис.11.51).
Известен также биоэнергокомлекс, содержащий метантенк, коллектор солнечной энергии, нагреватель сбраживаемой массы (а.с. СССР №1745707, БИ №25, 1992).
Известен биоэнергокомплекс с использованием солнечной энергии для обогрева сбраживаемой биомассы, содержащий метантенк с системой загрузки и выгрузки биомассы, солнечный коллектор с трубопроводами (а.с. СССР №1527191, 06.07.1987).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой установке является биоэнергетическая установка, содержащая метантенк с водяной рубашкой, теплоизоляцией, мешалкой, загрузочным и выгрузочным патрубками, трубопроводы для отвода биогаза, электроводонагреватель, трубопроводы подачи биогаза и газгольдер (а.с. №1733407, МКИ С 02 F 11/04, опубликовано 15.05.1992).
Недостатком известного биоэнергокомплекса является невозможность обеспечения стабильного обогрева сбраживаемого субстрата и обеспечения гарантированного минимума энергоснабжения локальных энергопотребителей в условиях отсутствия централизованного источника электрической энергии, поскольку количество теплоты, поступающей на землю с солнечным излучением, резко колеблется в зависимости от местных климатических условий.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение стабильного обогрева сбраживаемого субстрата и гарантированного минимума автономного энергоснабжения локальных потребителей в условиях отсутствия централизованного источника электрической энергии.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается КПД и надежность работы биоэнергетической установки для получения биогаза в условиях отсутствия централизованного источника электрической энергии, появляется возможность прямого преобразования тепловой энергии сжигаемого биогаза в электрическую энергию и обеспечения гарантированного минимума энергоснабжения локальных потребителей.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что биоэнергетическая установка, содержащая метантенк с водяной рубашкой, теплоизоляцией, мешалкой, загрузочным и выгрузочным патрубками, трубопроводы для отвода биогаза, электроводонагреватель, трубопроводы подачи биогаза и газгольдер, снабжена гелиоколлектором, электроводонагревателем и двигателем Стирлинга в виде термомеханического генератора с расположенной со стороны днища двигателя биогазовой горелкой, которая соединена с трубопроводом для подачи биогаза из газгольдера, при этом в двигателе Стирлинга тепловая энергия сжигаемого в биогазовой горелке биогаза преобразовывается в электрическую энергию и используется для обогрева сбраживаемой в метантенке биомассы до необходимой температуры и обеспечения непрерывной работы системы в периоды отсутствия поступления солнечного излучения.
Вырабатываемая двигателем Стирлинга в виде термомеханического генератора электроэнергия используется частично для обогрева метантенка через электроводонагреватель, остальная часть вырабатываемой электрической энергии идет для обеспечения гарантированного минимума энергоснабжения локальных потребителей.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 представлена технологическая схема автономной энергетической установки для получения биогаза и электрической энергии.
На фиг.2 представлена конструкция термомеханического генератора - двигателя Стирлинга в сочетании с биогазовой горелкой.
Установка содержит газгольдер 1, трубопровод отвода биогаза 2, метантенк 3 с водяной рубашкой 4, мешалкой 5 и теплоизоляцией 6, загрузочным 7 и выгрузочным 8 патрубками, бак-аккумулятор 9 и вентиль 10 горячей воды, плоский гелиоколлектор 11, трубопроводы воды 12 и 13, электроводонагреватель 14, биогазовую горелку 15 и трубопровод подачи биогаза 16, двигатель Стирлинга 17 и систему электрического соединения 18.
Двигатель Стирлинга, являющийся тепловым двигателем, выполнен в виде термомеханического генератора, который в отличие от обычного двигателя Стирлинга с рабочим и вытеснительными поршнями (Кудрин О.И. Солнечные высокотемпературные космические энергодвигательные установки. Под ред. В.П.Белякова. - М.: Машиностроение, 1987. - 248 с.) имеет следующие особенности:
- отсутствие кривошипно-шатунного механизма и полная изоляция обоих торцов цилиндра, поскольку агрегат не содержит ни шатунов, ни каких-либо других рычагов, связанных с поршнями;
- рабочий поршень здесь заменен металлической диафрагмой.
Используемая в биоэнергетической установке конструкция термомеханического генератора в сочетании с биогазовой горелкой представлена на фиг.2. и содержит радиатор 19, обмотки 20 и якорь 21 генератора, диафрагму 22, пружину 23, цилиндр 24, вытеснитель 25, охлаждающий змеевик 26 и биогазовую горелку 27.
Рабочий цикл термомеханического генератора полностью идентичен циклу двигателя Стирлинга с рабочим и вытеснительными поршнями, за исключением того, что здесь вытеснитель 25 приводится в действие пружиной 23, расположенной между ним и корпусом цилиндра 24. Замкнутый металлический цилиндр, содержащий рабочее тело двигателя, нагревается со стороны днища биогазовой горелкой 27 и охлаждается с внешней стороны диафрагмы 22, расположенной в верхней части цилиндра, охлаждающим змеевиком 26 с радиатором 19. Металлическая диафрагма 22, изготавливаемая из нержавеющей стали и установленная в термомеханическом генераторе вместо рабочего поршня, перемещается в цилиндре 24 вверх и вниз. Эта диафрагма колеблется под действием изменяющегося давления рабочего тела в цилиндре. С диафрагмой жестко связан якорь (постоянный магнит) 21, который совершает колебательные движения в обмотке 20 генератора, возбуждая электрический ток. Необходимость установки пружины для приведения в действие вытеснителя объясняется тем, что диафрагма совершает колебания с амплитудой, не превышающей нескольких миллиметров. Действие пружины, соединенной с вытеснителем, дает возможность системе совешать резонансные колебания при частоте, равной частоте собственных колебаний системы. Частота колебаний регулируется подбором пружины и движущихся масс, что позволяет "подстроиться" под любую частоту в системе электроснабжения.
Работа биоэнергетической установки согласно технологической схеме, представленной на фиг.1, осуществляется следующим образом.
Исходная биомасса в виде органических отходов животноводства через загрузочный патрубок 7 загружается в метантенк 3 с водяной рубашкой 4, мешалкой 5 и теплоизоляцией 6.
Необходимый температурный режим процесса анаэробного метанового сбраживания биомассы в метантенке 3 обеспечивается посредством преобразованной в тепловую энергию в гелиоколлекторе 11 энергии солнечного излучения: нагреваемая в гелиоколлекторе 11 и накапливаемая в баке-аккумуляторе 9 вода через вентиль 10 горячей воды и трубопровод воды 12 поступает в водяную рубашку 4 метантенка 3.
В процессе анаэробной бактериальной деструкции органических веществ биомассы в метантенке 3 выделяется биогаз, который через трубопровод отвода биогаза 2 поступает и накапливается в газгольдере 1.
Далее осуществляется утилизация получаемого биогаза: часть получаемого биогаза используется путем непосредственного сжигания в бытовых отопительных газовых приборах; часть его идет по мере необходимости, в периоды отсутствия поступления солнечного излучения, по трубопроводу для подачи биогаза 16 для сжигания в биогазовой горелке 15, расположенной со стороны днища двигателя Стирлинга 17. В двигателе Стирлинга в виде термомеханического генератора тепловая энергия сжигаемого в биогазовой горелке биогаза преобразовывается в электрическую энергию. Полученная таким образом электрическая энергия через электроводонагреватель 14 и трубопроводы воды 13 используется для обогрева сбраживаемой в метантенке биомассы до необходимой температуры и поддерживания ее в постоянном режиме. Далее процесс выработки и использования биогаза и электроэнергии продолжается, как указано выше.
Учитывая, что в настоящее время в условиях высокой стоимости производства и распределения электроэнергии особое внимание привлекают местные топливно-энергетические ресурсы, применение биоэнергетической установки с двигателем Стирлинга в виде термомеханического генератора может существенно повысить уровень энергообеспечения потребителей в условиях отсутствия централизованного энергоснабжения.
Биоэнергетическая установка, содержащая метантенк с водяной рубашкой, теплоизоляцией, мешалкой, загрузочным и выгрузочным патрубками, трубопроводы подачи биогаза и газгольдер, отличающаяся тем, что она снабжена гелиоколлектором, электроводонагревателем и двигателем Стирлинга в виде термомеханического генератора с расположенной со стороны днища двигателя биогазовой горелкой, которая соединена с трубопроводом для подачи биогаза из газгольдера, при этом в двигателе Стирлинга тепловая энергия сжигаемого в биогазовой горелке биогаза преобразовывается в электрическую энергию и используется для обогрева сбраживаемой в метантенке биомассы до необходимой температуры и обеспечения непрерывной работы системы в периоды отсутствия поступления солнечного излучения.
